李 姝， 陳煒韜， 方 霖

(1. 四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 成都 611231； 2. 中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072； 3. 四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國(guó)交通路網(wǎng)的逐漸完善，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重心逐漸向我國(guó)西南地區(qū)轉(zhuǎn)移，如川藏公路、川藏鐵路等[1]。我國(guó)西南地區(qū)具有地勢(shì)高差大、地下水資源豐富、生態(tài)環(huán)境脆弱等地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)[2]。同時(shí)，隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施路網(wǎng)的完善，深埋富水山嶺隧道的修建數(shù)量將會(huì)日益增多[3]。深埋富水山嶺隧道在施工、運(yùn)營(yíng)期通常采用隧道排水系統(tǒng)進(jìn)行排水泄壓，以降低襯砌背后所受的水壓力，從而保證襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。但這種排水泄壓過(guò)程會(huì)對(duì)隧道周邊圍巖滲流場(chǎng)產(chǎn)生明顯的擾動(dòng)，倘若過(guò)度排水，可能會(huì)引起地表塌陷、上覆植被缺水死亡等嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)象發(fā)生[3]。因此，隧道排水過(guò)程對(duì)周邊圍巖滲流場(chǎng)的擾動(dòng)影響問(wèn)題引起了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)深埋富水山嶺隧道滲流場(chǎng)擾動(dòng)問(wèn)題研究，主要集中在如下方面。

1)采用控制變量法，定性分析不同因素(包括水頭高度、滲透系數(shù)、排水率、注漿參數(shù)(厚度及注漿壓力)等)對(duì)隧道周邊滲流場(chǎng)分布的影響規(guī)律，探明不同影響因素下圍巖滲流場(chǎng)的擾動(dòng)變化過(guò)程，且所采用的研究方法主要以數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)為主。如： 張梅等[4]分析了注漿厚度、排水率對(duì)隧道滲流場(chǎng)分布規(guī)律的影響； 李金城[5]、王林等[6]、楊天鴻等[7]研究了水頭高度、滲透系數(shù)等因素對(duì)圍巖滲流場(chǎng)分布的影響規(guī)律； P. A. Witherspoon等[8]分析了裂隙巖體條件下圍巖滲流場(chǎng)的分布規(guī)律； D. T. Snow[9]探明了裂隙巖體等效滲透系數(shù)與圍巖滲流影響范圍的相互關(guān)系； M. Oda[10]明確了節(jié)理巖體條件下圍巖滲流場(chǎng)演變規(guī)律，給出了節(jié)理巖體等效滲透系數(shù)的計(jì)算方法。

2)分析不同因素對(duì)隧道襯砌背后水壓力的影響規(guī)律，明確不同影響因素與襯砌背后水壓力的相互關(guān)系，并提出相應(yīng)的水壓力計(jì)算方法，且所采用的研究方法主要以理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)為主。如： 王秀英等[11]分析了不同注漿層厚度對(duì)圍巖滲流場(chǎng)的影響規(guī)律； 劉強(qiáng)等[12]探明了不同排水條件下隧道周邊圍巖滲流場(chǎng)分布規(guī)律； M. E. Harr[13]采用鏡像法，給出了隧道圍巖滲流壓力的計(jì)算方法； M. Bouvard等[14]和J. O. Bickel等[15]分別基于達(dá)西定律與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了深埋隧道周邊圍巖滲流壓力理論與經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法。

從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)分析可知，目前針對(duì)不同因素對(duì)隧道周邊滲流場(chǎng)影響規(guī)律研究，多數(shù)僅分析了單因素對(duì)圍巖滲流場(chǎng)的影響規(guī)律，而針對(duì)多因素作用下圍巖滲流場(chǎng)擾動(dòng)規(guī)律研究尚不充分。同時(shí)，針對(duì)不同因素對(duì)滲流場(chǎng)擾動(dòng)的分析多數(shù)集中在定性分析，未見(jiàn)針對(duì)隧道周邊滲流場(chǎng)擾動(dòng)影響的相關(guān)定量計(jì)算方法。

本文首先采用數(shù)值模擬方法，探明隧道排水對(duì)周邊圍巖滲流場(chǎng)分布的影響規(guī)律，提出圍巖滲流擾動(dòng)高度概念，并將圍巖滲流擾動(dòng)高度作為評(píng)價(jià)隧道排水對(duì)滲流場(chǎng)擾動(dòng)程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)；進(jìn)而，采用控制變量法，分別分析水頭高度、隧道排水率以及圍巖滲透系數(shù)對(duì)圍巖滲流擾動(dòng)高度的影響規(guī)律；最后，采用數(shù)理擬合方法，給出圍巖滲流擾動(dòng)高度的計(jì)算方法，并采用室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)所提出的計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 依托工程概況

本文以青藏高原地區(qū)派墨公路多雄拉隧道為工程依托，分析不同因素條件(水頭高度、圍巖滲透系數(shù)、隧道排水率)對(duì)隧道周邊圍巖滲流場(chǎng)擾動(dòng)的影響。該公路隧道開挖直徑為9.13 m，采用1臺(tái)雙護(hù)盾TBM單向掘進(jìn)，隧道采用預(yù)制管片作為襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)。隧道襯砌管片直徑為8.1 m、寬度為1.8 m、厚度為0.35 m,其拼裝方式如圖1(a)所示。該公路隧道最大埋深為812 m、平均埋深為400 m以上，隧道最大水頭高度為120 m，屬富水深埋山嶺隧道。

隧道水頭較高，且地下水補(bǔ)給豐富。依托隧道采用泄水孔排水系統(tǒng)，對(duì)預(yù)制管片襯砌背后水壓力進(jìn)行排水泄壓。每環(huán)預(yù)制管片布設(shè)2個(gè)泄水孔，分別布置在隧道左、右兩側(cè)墻角位置處，如圖1(b)和圖1(c)所示。隧道排水過(guò)程如下： 首先，通過(guò)每環(huán)預(yù)制管片上的泄水孔將襯砌背后地下水由泄水孔引流至隧道底部；進(jìn)而，通過(guò)隧道底部排水通道直接將地下水排出隧道洞外，以實(shí)現(xiàn)襯砌背后水壓力的泄壓，同時(shí)保證隧道洞內(nèi)不產(chǎn)生積水。

(a) 隧道襯砌管片拼裝方式

(b) 預(yù)制管片泄水孔

(c) 現(xiàn)場(chǎng)泄水孔排水過(guò)程

2 富水深埋隧道滲流場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

為考慮上述不同因素對(duì)富水深埋隧道周邊圍巖滲流場(chǎng)的影響，采用Flac3D數(shù)值模擬軟件中滲流場(chǎng)分析模塊，建立圍巖-隧道三維計(jì)算模型，分別分析水頭高度、圍巖滲透系數(shù)、隧道排水率對(duì)隧道周邊圍巖滲流場(chǎng)的影響。其中，數(shù)值模擬分析計(jì)算過(guò)程服從以下假定： 1)圍巖為連續(xù)均質(zhì)各向同性介質(zhì)； 2)圍巖滲流服從Darcy定律； 3)圍巖處于飽和狀態(tài)。

圍巖-隧道三維計(jì)算模型如圖2(a)所示。模型x軸方向長(zhǎng)度為600 m，y軸方向長(zhǎng)度為600 m，z軸方向長(zhǎng)度為0.35 m，隧道頂面距模型頂面400 m，即該模型可模擬最大水頭高度為400 m。數(shù)值模型邊界條件如下： 模型左、右側(cè)及頂面分別為透水邊界，邊界處水流可自由流動(dòng)； 模型底面為不透水邊界，滲透系數(shù)為0。隧道襯砌結(jié)構(gòu)，根據(jù)圖1中管片結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行構(gòu)建，如圖2(b)所示。圍巖-隧道三維數(shù)值模型中圍巖、襯砌管片均采用實(shí)體單元模型，滲流本構(gòu)模型為各項(xiàng)同性滲流模型，數(shù)值模擬模型單元總數(shù)為40 876個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為225 256個(gè)。圍巖和襯砌單元均為實(shí)體單元，本構(gòu)模型為各向同性滲流本構(gòu)模型，孔隙率為0.3%，體積模量為2 GPa，流體抗拉強(qiáng)度為0。

(a) 圍巖-隧道三維模型

(b) 管片襯砌三維模型

2.2 數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為方便監(jiān)測(cè)不同因素對(duì)隧道周邊滲流場(chǎng)的影響，在數(shù)值模型中設(shè)置滲流壓力測(cè)線，其測(cè)線布置方式以隧道中心為原點(diǎn)，每間隔15°布設(shè)1條放射狀測(cè)線，且每條測(cè)線中以10 cm間隔布置測(cè)點(diǎn)。圍巖滲流壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

2.3 數(shù)值模擬計(jì)算工況

采用控制變量法，分別分析水頭高度、滲透系數(shù)、排水率3個(gè)因素條件下周邊圍巖滲流場(chǎng)分布規(guī)律。以滲透系數(shù)作為數(shù)值模擬主要工況劃分指標(biāo)，制定5組主要工況；其中，每組主要工況中又根據(jù)水頭高度、排水率制定84組細(xì)分工況，故數(shù)值模擬工況數(shù)目總計(jì)420組。數(shù)值模擬工況如表1所示。

圖3 數(shù)值模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 數(shù)值模擬工況

隧道不同排水率工況模擬實(shí)現(xiàn)方式如下： 首先將隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)為透水材料，通過(guò)調(diào)整襯砌結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)，使其襯砌結(jié)構(gòu)具有不同程度的排水能力； 進(jìn)而，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)進(jìn)行試算，同時(shí)獲取試算滲透系數(shù)條件下經(jīng)由襯砌結(jié)構(gòu)排出的水量，并結(jié)合隧道涌水量計(jì)算得出襯砌結(jié)構(gòu)試算滲透系數(shù)條件下隧道排水率； 最后，根據(jù)排水率細(xì)分工況，不斷調(diào)整襯砌結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)，直至獲得滿足各排水率工況要求的襯砌結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)不同排水率細(xì)分工況的模擬。

2.4 數(shù)值模擬計(jì)算流程

1)建立圍巖-隧道三維數(shù)值模型，設(shè)置滲流場(chǎng)邊界條件與圍巖、襯砌實(shí)體參數(shù)，進(jìn)行水頭高度條件下圍巖滲流場(chǎng)初始平衡計(jì)算，得到隧道開挖前圍巖初始靜水壓力滲流場(chǎng)。

2)進(jìn)行隧道毛洞開挖模擬，采用FISH語(yǔ)言獲得隧道涌水量。

3)進(jìn)行隧道襯砌支護(hù)，同時(shí)將其滲流本構(gòu)模型設(shè)置為透水材料；并根據(jù)排水率細(xì)分工況要求，設(shè)置襯砌結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)，進(jìn)行不同排水率工況下圍巖滲流場(chǎng)計(jì)算，直至計(jì)算收斂。

4)通過(guò)設(shè)置的數(shù)值模擬測(cè)線，獲得該工況下隧道周邊圍巖滲流場(chǎng)分布規(guī)律。

3 圍巖滲流擾動(dòng)高度及影響因素分析

3.1 圍巖滲流擾動(dòng)高度概念

以水頭高度90 m、滲透系數(shù)1×10-2cm/s為例，分別給出隧道排水率為0(即不排水)與排水率為100%時(shí)隧道周邊圍巖滲流場(chǎng)的分布規(guī)律，如圖4所示。

(a) 排水率為0時(shí)圍巖滲流場(chǎng)(單位： Pa)

(b) 排水率為100%時(shí)圍巖滲流場(chǎng)

由圖4(a)可知： 當(dāng)隧道排水率為0時(shí)，此時(shí)圍巖滲流壓力線呈水平分布，同一水頭高度處各點(diǎn)滲流壓力相等，圍巖整體滲流壓力分布為靜水壓力分布狀態(tài)，并且襯砌背后水壓力量值近似等于靜水壓力值，說(shuō)明隧道不進(jìn)行排水時(shí)不會(huì)對(duì)圍巖滲流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，不影響圍巖滲流場(chǎng)初始分布狀態(tài)，這點(diǎn)與目前大多學(xué)者研究結(jié)論一致[3,6,12,15]。

由圖4(b)可知： 1)當(dāng)隧道排水后，隧道周邊滲流場(chǎng)發(fā)生明顯擾動(dòng)現(xiàn)象，隧道周邊滲流場(chǎng)由原本的靜水壓力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)水壓力狀態(tài)，其中最為顯著的變化為隧道拱頂上部位置的圍巖滲流壓力線分布形態(tài)由水平線轉(zhuǎn)變?yōu)椤奥┒贰毙螒B(tài)的曲線，隧道拱頂位置上方圍巖滲流壓力明顯降低； 2)對(duì)比排水與不排水條件下隧道拱頂上方圍巖滲流場(chǎng)分布規(guī)律可知，由隧道排水所引起的圍巖滲流場(chǎng)擾動(dòng)范圍并不會(huì)擴(kuò)散至整個(gè)圍巖范圍，而僅在隧道拱頂上部一定范圍內(nèi)存在。

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)隧道排水過(guò)程對(duì)圍巖滲流場(chǎng)擾動(dòng)的影響，本文提出圍巖滲流擾動(dòng)高度概念，即為在隧道埋深方向上(y軸)隧道排水前后圍巖滲流壓力不發(fā)生變化位置(A點(diǎn))與隧道拱頂位置(B)處的最小距離。根據(jù)圍巖滲流擾動(dòng)高度定義，圖4(b)中隧道排水率為100%條件下，圍巖滲流影響高度為76.5 m。

3.2 不同影響因素下圍巖滲流擾動(dòng)高度

圍巖滲流擾動(dòng)高度受到滲透系數(shù)、水頭高度以及隧道排水率的綜合影響。采用控制變量法，分別分析上述3個(gè)因素對(duì)圍巖滲流擾動(dòng)高度的影響規(guī)律。

3.2.1 不同滲透系數(shù)條件下圍巖滲流擾動(dòng)高度

不同滲透系數(shù)條件下圍巖滲流擾動(dòng)高度如圖5所示?？梢钥闯觯?給定水頭高度與隧道排水率時(shí)，隨著圍巖滲透系數(shù)的增加，圍巖滲流擾動(dòng)高度呈逐漸增加趨勢(shì)，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。

圖5 不同滲透系數(shù)條件下圍巖滲流擾動(dòng)高度

以水頭高度120 m為例，當(dāng)圍巖滲透系數(shù)為1×10-6cm/s時(shí)，此時(shí)圍巖滲流擾動(dòng)高度為10.7 m； 而當(dāng)圍巖滲透系數(shù)增大至1×10-2cm/s時(shí)，圍巖滲流擾動(dòng)高度增大至106.47 m，增大了895. 05%。

3.2.2 不同隧道排水率條件下圍巖滲流擾動(dòng)高度

以水頭高度90 m為例，不同隧道排水率條件下圍巖滲流擾動(dòng)高度如圖6所示。可以看出： 給定水頭高度與圍巖滲透系數(shù)時(shí)，隨著隧道排水率的增加，圍巖滲流擾動(dòng)高度呈逐漸增加趨勢(shì)，兩者亦呈正相關(guān)關(guān)系。

以滲透系數(shù)1×10-2cm/s為例，當(dāng)隧道排水率為20%時(shí)，此時(shí)圍巖滲流擾動(dòng)高度為67.54 m； 當(dāng)排水率增大至100%，圍巖滲流擾動(dòng)高度增大至77.48 m，增大了14.7%。

3.2.3 不同水頭高度條件下圍巖滲流擾動(dòng)高度

圍巖滲流擾動(dòng)高度隨水頭高度變化曲線如圖7所示?？梢钥闯觯?圍巖滲流擾動(dòng)高度隨水頭高度變化曲線呈現(xiàn)出明顯的2段式特征。1)當(dāng)水頭高度小于某一水頭高度時(shí)(圖中A′B′段)，隨水頭高度的增加，圍巖滲流擾動(dòng)高度呈現(xiàn)出較為明顯的線性增大趨勢(shì)。以排水率100%工況為例，當(dāng)水頭高度為60 m時(shí)，圍巖滲流擾動(dòng)高度為55.46 m； 當(dāng)水頭高度增大至120 m時(shí)，此時(shí)圍巖滲流擾動(dòng)高度為109.24 m，增大了96.97%。2)當(dāng)水頭高度大于某一水頭高度時(shí)(圖中B′C′段)，此時(shí)圍巖滲流擾動(dòng)高度表現(xiàn)為定值，不再隨水頭高度的增加而繼續(xù)增加。

圖6 不同隧道排水率條件下圍巖滲流擾動(dòng)高度

圖7 圍巖滲流擾動(dòng)高度隨水頭高度變化曲線

為了更好地描述圍巖滲流擾動(dòng)高度隨水頭高度的變化規(guī)律，將B′點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水頭高度定義為臨界水頭高度，對(duì)應(yīng)的圍巖滲流擾動(dòng)高度定義為臨界圍巖滲流擾動(dòng)高度。同時(shí)，對(duì)比水頭高度、滲透系數(shù)、隧道排水率3個(gè)影響因素，其中對(duì)圍巖滲流擾動(dòng)高度影響程度最大的為滲透系數(shù)因素；而排水率雖然是圍巖滲流擾動(dòng)高度產(chǎn)生的根本因素，但其自身對(duì)圍巖滲流擾動(dòng)高度影響最小。因此，可得滲透系數(shù)、水頭高度、隧道排水率對(duì)圍巖滲流擾動(dòng)高度影響程度依次降低。

4 圍巖滲流擾動(dòng)高度計(jì)算方法

由上文分析可知，圍巖滲流擾動(dòng)高度受到3個(gè)因素的綜合影響，所以給出的計(jì)算方法中應(yīng)能體現(xiàn)上述3個(gè)影響因素。首先根據(jù)上述水頭高度與圍巖滲流擾動(dòng)高度的相互關(guān)系，給出圍巖滲流擾動(dòng)高度隨水頭高度變化模型及數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

當(dāng)H>H臨界時(shí)，h=h臨界；

(1)

當(dāng)H≤H臨界時(shí)，h=aH。

(2)

式(1)—(2)中:H為水頭高度；H臨界為臨界水頭高度；h為圍巖滲流擾動(dòng)高度；h臨界為臨界圍巖擾動(dòng)高度；a為待定系數(shù)。

若采用式(1)和式(2)對(duì)圍巖滲流擾動(dòng)高度進(jìn)行計(jì)算，還需給出臨界水頭高度、臨界圍巖擾動(dòng)高度與待定系數(shù)的計(jì)算方法。

4.1 H>H臨界時(shí)圍巖滲流擾動(dòng)高度計(jì)算方法

由式(1)分析可知，當(dāng)水頭高度大于臨界水頭高度時(shí)，此時(shí)圍巖擾動(dòng)高度為定值。下文分別給出臨界水頭高度與臨界圍巖滲流擾動(dòng)高度計(jì)算方法。

由圖5可知，臨界水頭高度受到滲透系數(shù)與排水率的綜合影響。本文采用數(shù)理擬合方法，基于數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表2)，擬合給出臨界水頭高度計(jì)算表達(dá)式，如式(3)所示；擬合結(jié)果云圖如圖8所示。

表2 不同工況下臨界水頭高度

由圖8可知，臨界水頭高度與排水率、滲透系數(shù)呈二次曲面關(guān)系，且擬合相關(guān)系數(shù)為98.3%，擬合結(jié)果良好。因此，可采用式(3)對(duì)臨界水頭高度進(jìn)行計(jì)算。

H臨界=544.8+0.76β+45.63lnk+4.64βlnk×

10-2+0.87(lnk)2。

(3)

式中：β為排水率，%；k為滲透系數(shù)，cm/s。

圖8 臨界水頭高度與排水率、滲透系數(shù)擬合云圖

將臨界水頭高度、圍巖滲透系數(shù)、隧道排水率作為自變量，臨界圍巖滲透擾動(dòng)高度作為因變量，擬合得出臨界圍巖滲流擾動(dòng)高度計(jì)算表達(dá)式。同時(shí)，由于臨界水頭高度計(jì)算表達(dá)式中因變量為滲透系數(shù)與排水率。因此，臨界圍巖滲流擾動(dòng)高度計(jì)算表達(dá)式中因變量只有圍巖滲透系數(shù)與排水率。下文以滲透系數(shù)與排水率作為因變量，對(duì)臨界圍巖滲流擾動(dòng)高度計(jì)算表達(dá)式進(jìn)行擬合。不同工況下臨界圍巖滲流擾動(dòng)高度如表3所示。

表3 不同工況下臨界圍巖滲流擾動(dòng)高度

臨界圍巖滲流擾動(dòng)高度與排水率、滲透系數(shù)擬合云圖如圖9所示?？梢钥闯觯?臨界圍巖滲流擾動(dòng)高度與排水率、滲透系數(shù)呈二次曲面關(guān)系，且擬合相關(guān)系數(shù)為99.42%，擬合結(jié)果良好。因此，可采用式(4)對(duì)臨界圍巖滲流擾動(dòng)高度進(jìn)行計(jì)算。

h臨界=459.3+2.78β+74.45lnk+0.21βlnk+

3.05(lnk)2。

(4)

圖9 臨界圍巖滲流擾動(dòng)高度與排水率、滲透系數(shù)擬合云圖

4.2 H≤H臨界時(shí)圍巖滲流擾動(dòng)高度計(jì)算方法

由式(2)可知，當(dāng)水頭高度小于等于臨界水頭高度時(shí)，圍巖滲流擾動(dòng)高度隨著水頭高度的增加呈線性增加趨勢(shì)； 且兩者比例系數(shù)僅與圍巖滲透系數(shù)與排水率有關(guān)，而與水頭高度無(wú)關(guān)。因此，采用數(shù)理擬合方式，以滲透系數(shù)與排水率作為因變量；比例系數(shù)作為自變量進(jìn)行數(shù)理擬合。不同工況下比例系數(shù)如表4所示。

表4 不同工況下比例系數(shù)表

表4(續(xù))

比例系數(shù)與滲透系數(shù)、排水率擬合云圖如圖10所示?？梢钥闯觯?比例系數(shù)與排水率、滲透系數(shù)呈二次曲面關(guān)系，且擬合相關(guān)系數(shù)為99.78%，擬合結(jié)果良好。因此，可采用式(5)對(duì)比例系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

圖10 比例系數(shù)與滲透系數(shù)、排水率擬合云圖

a=1.6+0.44lnk+3.5β×10-2+2.9(lnk)2×

10-2-0.01βlnk。

(5)

式中a為比例系數(shù)。

因此，當(dāng)水頭高度小于等于臨界水頭高度時(shí)，圍巖滲流擾動(dòng)高度可按式(2)計(jì)算，其中比例系數(shù)按式(5)計(jì)算。

5 圍巖滲流擾動(dòng)高度計(jì)算方法室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提出的圍巖滲流擾動(dòng)高度計(jì)算方法的正確性及合理性，采用室內(nèi)相似試驗(yàn)，模擬富水深埋隧道排水條件下圍巖滲流場(chǎng)擾動(dòng)變化過(guò)程，獲得相應(yīng)圍巖擾動(dòng)高度，并將其與采用計(jì)算方法所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

5.1 室內(nèi)相似材料準(zhǔn)備

選取幾何相似比、容重相似比、滲透系數(shù)相似比為基礎(chǔ)相似比，根據(jù)相似三定律[16]，推導(dǎo)出其余相似試驗(yàn)所需物理量的相似比例關(guān)系。室內(nèi)試驗(yàn)所需物理量相似比如表5所示。

圍巖相似材料為石英砂與石膏粉的混合料，其中混合料組分比例根據(jù)模型試驗(yàn)滲透系數(shù)工況要求確定，以保證圍巖相似材料滲透系數(shù)滿足試驗(yàn)工況滲透系數(shù)要求。圍巖相似原材料如圖11所示。

表5 室內(nèi)試驗(yàn)所需物理量相似比

(a) 石英砂 (b) 石膏粉

襯砌結(jié)構(gòu)相似材料為PVC圓形管狀材料，襯砌相似結(jié)構(gòu)尺寸為原型結(jié)構(gòu)按幾何相似比縮尺后的相應(yīng)尺寸。同時(shí)，在管片相似結(jié)構(gòu)上開孔，以實(shí)現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)排水。通過(guò)控制管片結(jié)構(gòu)開孔數(shù)量，可實(shí)現(xiàn)不同排水率條件下的管片襯砌排水過(guò)程。管片相似結(jié)構(gòu)如圖12所示。

(a) 相似管片外側(cè)

(b) 相似管片內(nèi)側(cè)

5.2 試驗(yàn)工況

結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)條件，制定了3種不同滲透系數(shù)試驗(yàn)主要工況，且水頭高度均為90 m。其中，每種主要工況下分別細(xì)分3種排水率工況。室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M工況如表6所示。

表6 室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M工況

5.3 試驗(yàn)裝置及測(cè)點(diǎn)布置

5.3.1 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)在西南交通大學(xué)自行設(shè)計(jì)的大型富水深埋隧道滲流場(chǎng)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，整套試驗(yàn)系統(tǒng)由環(huán)境箱(4 m×0.7 m×4 m)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成。滲流模擬試驗(yàn)系統(tǒng)如圖13所示。滲流場(chǎng)控制系統(tǒng)由測(cè)壓管和水平平行進(jìn)、排水花管組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括TS-KY-1型高精度微型孔隙水壓力傳感器、靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、隧道排水采集箱等，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道周邊滲流場(chǎng)擾動(dòng)的監(jiān)測(cè)。

(a) 模型試驗(yàn)

(b) 試驗(yàn)裝置示意圖

5.3.2 測(cè)點(diǎn)布置

選擇沿隧道軸向方向中間位置斷面作為監(jiān)測(cè)斷面，以水平間隔25 cm(約1倍隧道洞徑)布設(shè)5根縱向測(cè)管；每根縱向測(cè)管以垂直間隔20 cm布設(shè)滲流壓力測(cè)點(diǎn)(所用儀器為微型水壓力計(jì))；同時(shí)，管片襯砌背后環(huán)向方向亦布設(shè)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)。室內(nèi)模型試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖14所示。

5.4 試驗(yàn)過(guò)程

1)采用配比好的石英砂與石膏粉的圍巖相似材料，將環(huán)境箱填筑密實(shí)；同時(shí)在隧道標(biāo)高處安裝襯砌管片。

2)采用滲流場(chǎng)控制系統(tǒng)，對(duì)環(huán)境箱進(jìn)行注水，使其達(dá)到試驗(yàn)所需的穩(wěn)定滲流場(chǎng)條件。

3)根據(jù)不同排水率細(xì)分工況，對(duì)管片襯砌開孔進(jìn)行控制，并在試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集圍巖滲流場(chǎng)以及隧道排水量數(shù)據(jù)。

4)將管片襯砌進(jìn)行拆除，測(cè)量該主要工況下隧道涌水量；進(jìn)而，計(jì)算得到隧道排水率。室內(nèi)模型試驗(yàn)過(guò)程如圖15所示。

5.5 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證分析

將本次不同試驗(yàn)工況條件下得到的圍巖滲流擾動(dòng)高度與采用上文提出的圍巖滲流擾動(dòng)高度計(jì)算方法計(jì)算所得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。圍巖滲流影響高度計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖16所示。

圖16 圍巖滲流影響高度計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由圖16可知: 1)給定排水率條件下采用2種方法得到的圍巖滲流擾動(dòng)高度均隨滲透系數(shù)增加而呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，2種方法反映的對(duì)應(yīng)一致； 2)通過(guò)對(duì)比給定排水率與滲透系數(shù)條件下采用2種方法獲得的圍巖滲流擾動(dòng)高度量值可知，2種方法所得結(jié)果較為接近，差異較小，從而驗(yàn)證了上文所提的圍巖滲流擾動(dòng)高度計(jì)算方法的正確性及合理性。

6 結(jié)論與建議

1)富水深埋隧道排水泄壓過(guò)程會(huì)對(duì)隧道拱頂上方圍巖滲流場(chǎng)產(chǎn)生明顯擾動(dòng)，隧道上部圍巖滲流壓力等勢(shì)線分布由水平分布形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槁┒窢罘植夹螒B(tài)。但這種隧道排水?dāng)_動(dòng)僅在隧道拱頂上部一定范圍內(nèi)存在，將該擾動(dòng)范圍的縱向高度定義為圍巖滲流擾動(dòng)高度。

2)圍巖滲透系數(shù)、水頭高度以及隧道排水率均與圍巖滲流擾動(dòng)高度呈正相關(guān)關(guān)系。通過(guò)對(duì)圍巖滲流擾動(dòng)高度影響程度對(duì)比可知，排水率是產(chǎn)生圍巖滲流場(chǎng)擾動(dòng)的根本因素，但其對(duì)圍巖滲流擾動(dòng)高度影響最小，影響程度最大的因素為圍巖自身的滲透系數(shù)。

3)當(dāng)給定滲透系數(shù)與排水率時(shí)，隨水頭高度增加，圍巖滲流擾動(dòng)高度變化呈2段式變化特征。當(dāng)水頭高度小于等于臨界水頭高度時(shí)，圍巖滲流擾動(dòng)高度與水頭高度呈線性正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)水頭高度大于臨界水頭高度時(shí)，圍巖滲流擾動(dòng)高度不再隨水頭高度繼續(xù)變化，趨于定值。

4)采用數(shù)理擬合方法，分別給出了臨界水頭高度、臨界圍巖滲流擾動(dòng)高度計(jì)算表達(dá)式；根據(jù)水頭高度與圍巖滲流擾動(dòng)高度相互關(guān)系，給出了圍巖滲流擾動(dòng)高度計(jì)算方法；并采用室內(nèi)相似試驗(yàn)對(duì)所提計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了所提計(jì)算方法的正確性及合理性。

本文在計(jì)算襯砌背后水壓力量值時(shí)，所用方法相對(duì)較為簡(jiǎn)單，與實(shí)際存在一定差別，下一步建議探討襯砌背后各點(diǎn)水壓力的計(jì)算方法。